节能型铜线拉丝机感应退火设备制造技术

本发明专利技术提供一种节能型铜线拉丝机感应退火设备，采用感应器对待处理部件进行加热，感应器采用电磁感应加热线圈实现高速加热；电磁感应加热线圈采用固态超高频感应加热电源，所述固态超高频感应加热电源采用E类逆变器结构，开关器件采用单管或双管功率器件。本方案采用一种新颖的E类逆变器结构，开关器件采用单管或双管功率器件，极大地提高了电路频率，并减少了器件开关损耗。(2)感应加热线圈：采用电磁感应加热，极大地提高了加热的热效率。

Induction annealing equipment for energy saving copper wire drawing machine

The invention relates to an energy-saving copper wire drawing machine induction annealing equipment, the inductor treated parts heated by electromagnetic induction heating coil sensor to realize high speed heating; electromagnetic induction heating coil with solid ultra high frequency induction heating power supply, the solid ultra high frequency induction heating power supply using E inverter switching device structure, single or double power device. In this scheme, a novel class E inverter is adopted. The switching device uses a single or two transistor power device, which greatly improves the circuit frequency and reduces the switching loss. (2) induction heating coil: using electromagnetic induction heating, greatly improving the thermal efficiency of heating.

【技术实现步骤摘要】
节能型铜线拉丝机感应退火设备
本专利技术涉及铜线拉丝机感应退火设备领域，尤其涉及一种节能型铜线拉丝机感应退火设备。
技术介绍
由于铜质电线电缆较铝制电线电缆电阻低，电耗少，使铜质电线电缆的使用范围进一步扩大。铜陵市是我国主要的铜工业基地，建设铜杆拉丝生产项目，具有得天独厚的条件和广阔的市场空间。我国铜加工业装备先进与落后技术并存，通过对现有企业不断进行技术改革，发展适合我国情况、具有我国特色的关键技术，是我国铜加工业充满竞争实力的关键所在。目前世界上铜加工技术的发展动向一是改变加工模式，压缩热加工空间，实现铜材生产从原料至成品的连续化生产，同时改进和发展加热技术，从而进一步节省金属消耗、能源消耗，减少排放，达到生产无公害。铜线拉丝机的连续高速退火主要是采用接触式电阻退火，这种退火方式需要用导电炭刷（一个电极轮上有几十个烟盒般大小的炭刷），把铜（铝）排上的电流传输到电极轮上，使电极轮转动时受到较大的阻力，消耗大量能量。同时单丝和电极轮间有时会产生火花，出现表面氧化，影响单丝的表面质量，并易产生断丝现象。采用感应式退火主要有以下优点：不需要电刷等传输电流到单丝上，工作时所受的阻力较小，退火效率较高（耗电不足退火炉退火或热管式退火的一半，效率由原来的30%左右提高到65%~75%）；无火花，实现铜线无氧化，提高退火质量；降低维修率，减少维护费用；能够实现退火速度自动跟踪；对环境几乎没有污染。虽然，感应加热技术目前在熔炉、板材、铜管等加热和淬火中得到广泛应用，但在高速小线径线材加热中的应用还处于起步阶段，主要技术难点是高速加热及超高频固态感应加热电源的研制。同时加热设备也是单体式，研制一体式感应退火的拉丝设备，具有广阔的市场前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种节能型铜线拉丝机感应退火设备，以解决上述技术问题。本专利技术为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：一种节能型铜线拉丝机感应退火设备，其特征在于：采用感应器对待处理部件进行加热，感应器采用电磁感应加热线圈实现高速加热；电磁感应加热线圈采用固态超高频感应加热电源，所述固态超高频感应加热电源采用E类逆变器结构，开关器件采用单管或双管功率器件。作为优选，固态超高频感应加热电源由整流部分、斩波部分、逆变部分组成，组成的逆变电路，将直流电转换成高频感应电流。作为优选，所述电磁感应加热线圈的设计：（1）电流透入深度感应电流透入到被加热物体的深度：（m）（1）式中：Δ为电流分布的带宽，单位cm；ρ为金属的电阻率，单位Ω·m；铜的电阻率为ρ=1.9×10-8Ω·m；μ为金属的相对磁导率，单位H/m，铜的磁导率μ=1；f为电流频率，单位Hz；距表面Δ处涡流密度降为表面电流密度的1/e，即36.8%，定义为电流透入深度；在电流透入深度范围内金属圆柱吸收的功率为其吸收总功率的86.5%；因此，Δ便成为选择加热频率的重要参数，它直接影响着加热温度的分布；由圆柱导体上有效加热层与频率之间的关系得到，加热深度的极限值为0.4D2，D2为被加热铜线的直径；金属电阻率与温度之间关系：式中：ρ0为金属坯料在00C时的电阻率，α电阻温度系数，ρ为金属在温度为t时的电阻率；铜ρ0=0.016×10-6Ωm，取积分平均值ρ=0.05×10-6Ωm，α=4.30×10-3；（2）感应加热电流频率当感应加热圆柱工件时，由于集肤效应，只有表面会快速升温，而中心部分则需靠热传导作用，从表面高温区向内部低温区传导热量，因而温升慢；表面与中心的温度差用ΔT表示；计算表明，被加热铜线的直径与加热的透入深度之间的比值达到时，加热炉的电效率达到极限值的90%以上，由此可以求出电流频率的下限值；电源电流频率越高，有效加热层就越小，由加热深度的极限值为0.4D2，可以求得电流频率的上限值；综合感应加热的电效率、径向温差与频率之间的关系，频率选择按下面公式选择：（2）其中；（3）感应器的效率与功率电网输送给感应加热设备的功率包括两部分：一部分是供电系统（中频变频器、汇流排、电热电容器等）的功率损失；另外一部分是感应器线圈中的电损耗、热损耗和用于坯料加热的平均有效功率，称之为中频变频器的额功率P；ΔP1感应器线圈的损失功率；P2坯料中的总功率；ΔPT通过感应器隔热层的热损失功率；PT坯料加热的平均有效功率；感应器总的效率定义为，定义为感应器的电效率，定义为感应器的热效率；（3）于是有（4）坯料加热的平均有效功率，亦是感应器的功率为：665.523W（5）式中：C坯料的平均比热容，kJ/（kg·0C），铜的平均比热容为0.471；ΔT为炉料的温升；M为炉料的质量，kg；t加热时间，s；N=M/t为生产率，kg/s；为感应器的效率，为电效率和热效率之积；铜加热炉电效率=0.40~0.45，热效率=0.90~0.92，总效率η=0.3~0.40；（4）最短加热时间在尽可能短的时间内达到工艺允许的径向温差；最短加热时间用下式表示：（6）式中：tK为保证ΔΤ=T0-Tx时的最短加热时间，s；，为有效加热层；当时，代入，而时，则代入即可；T0为表面温度，0C；Tx为中心温度，0C；且T0-Tx=ΔT为径向温差；a=λ/cγ称为导温系数；其中λ为导热系数，W/(m·0C)；c为比热容，J/(kg·0C)；γ为密度，铜密度为8.9×10-3kg/dm3；D2=2R2；t为加热时间，s；S为辅助函数；函数S（α，1）与S（α，0）；（5）感应线圈外形尺寸感应线圈的主要尺寸是其内径D1和长度a1；1）线圈内径D1的确定线圈的电效率随D1/D2值的增大而下降；由炉子的总效率与η与D1/D2的关系曲线可知，炉子的总效率有一个峰值，即为最佳值；当D1/D2≈1.4～1.8时，总效率最大；作为合理的选用范围；2）线圈的长度a1对于连续式加热炉，按下式确定其值：（m）（7）式中：v为炉料运动速度，m/s；3）感应器的匝数（8）式中：Ug—感应器的端电压，V；Pg—感应器的输入功率，kW；4）感应内的电流与电压（A）（V）（9）式中：z—感应器的阻抗；—坯料的换算电抗；—水冷导轨的热损失；5）补偿电热电容器容量QCkVarkVar（10）；D22、D11分别为空心圆柱体坯料的外径和内径；D1为感应器线圈内径；a2为空心圆柱体坯料长度；a1为感应器线圈长度；作为优选，所述固态超高频感应加热电源的设计：采用E类双管DC/AC超高频谐振式变换器，使超高频感应加热电源达到1兆MHz以上，用以超细型金属丝或超薄型钢带的淬火或退火等热处理；由于兆赫级条件下线路上的寄生电感和寄生电容不可忽略，功率器件的开关损耗相当可观，感应加热负载随温度变化而变化比较大等原因，使得经典传统逆变器拓扑在兆赫级感应加热应用中有很大的局限性，因此兆赫级逆变器的拓扑研究是本专利技术创造研究的重点。本方案提出的双管全桥逆变拓扑能有效地吸收线路上杂散电容和寄生电感等分布参数，且工作时开关器件是零电压开关，极大地减少了器件的开关损耗，逆变器的输入端增加了高频平波电抗器，使该拓扑具有电流型逆变器和电压型逆变器的优点，从而两只开关管的导通没有死区时间的限制，因此该拓扑比较适合兆赫级超高频感应加热。E类双管DC/AC超高频谐振式变换器的E类DC/AC变换器，采用两管并联交替工作。工作原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种节能型铜线拉丝机感应退火设备，其特征在于：采用感应器对待处理部件进行加热，感应器采用电磁感应加热线圈实现高速加热；电磁感应加热线圈采用固态超高频感应加热电源，所述固态超高频感应加热电源采用E类逆变器结构，开关器件采用单管或双管功率器件。

【技术特征摘要】
1.一种节能型铜线拉丝机感应退火设备，其特征在于：采用感应器对待处理部件进行加热，感应器采用电磁感应加热线圈实现高速加热；电磁感应加热线圈采用固态超高频感应加热电源，所述固态超高频感应加热电源采用E类逆变器结构，开关器件采用单管或双管功率器件。2.根据权利要求1所述的节能型铜线拉丝机感应退火设备，其特征在于：固态超高频感应加热电源由整流部分、斩波部分、逆变部分组成，组成的逆变电路，将直流电转换成高频感应电流。3.根据权利要求1所述的节能型铜线拉丝机感应退火设备，其特征在于：所述电磁感应加热线圈的设计：（1）电流透入深度感应电流透入到被加热物体的深度：（m）（1）式中：Δ为电流分布的带宽，单位cm；ρ为金属的电阻率，单位Ω·m；铜的电阻率为ρ=1.9×10-8Ω·m；μ为金属的相对磁导率，单位H/m，铜的磁导率μ=1；f为电流频率，单位Hz；距表面Δ处涡流密度降为表面电流密度的1/e，即36.8%，定义为电流透入深度；在电流透入深度范围内金属圆柱吸收的功率为其吸收总功率的86.5%；因此，Δ便成为选择加热频率的重要参数，它直接影响着加热温度的分布；由圆柱导体上有效加热层与频率之间的关系得到，加热深度的极限值为0.4D2，D2为被加热铜线的直径；金属电阻率与温度之间关系：式中：ρ0为金属坯料在00C时的电阻率，α电阻温度系数，ρ为金属在温度为t时的电阻率；铜ρ0=0.016×10-6Ωm，取积分平均值ρ=0.05×10-6Ωm，α=4.30×10-3；（2）感应加热电流频率当感应加热圆柱工件时，由于集肤效应，只有表面会快速升温，而中心部分则需靠热传导作用，从表面高温区向内部低温区传导热量，因而温升慢；表面与中心的温度差用ΔT表示；计算表明，被加热铜线的直径与加热的透入深度之间的比值达到时，加热炉的电效率达到极限值的90%以上，由此可以求出电流频率的下限值；电源电流频率越高，有效加热层就越小，由加热深度的极限值为0.4D2，可以求得电流频率的上限值；综合感应加热的电效率、径向温差与频率之间的关系，频率选择按下面公式选择：（2）其中；（3）感应器的效率与功率电网输送给感应加热设备的功率包括两部分：一部分是供电系统的功率损失；另外一部分是感应器线圈中的电损耗、热损耗和用于坯料加热的平均有效功率，称之为中频变频器的额功率P；ΔP1感应器线圈的损失功率；P2坯料中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：章继名，姚迎国，慈龙杰，瞿峰，
申请(专利权)人：铜陵长江铜业有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34